якщо вхідний опір навантаження ключа нескінченно великий. Якщо ж він порівнянний з опором резистора R, то на резисторі падатиме частина вихідної напруги джерела сигналу. За наявності ємнісного навантаження буде відносне повільно встановлюватися вихідна напруга після розмикання ключа.
Послідовно-паралельний ключ, показаний на рис. 2.1в, не має недоліків двох попередніх схем. У будь-якому робочому стані він має вихідний опір, близький до нуля.
Різновиди аналогових ключів, показані на рис. 2.1, можуть бути реалізовані на електронних елементах з керованим опором, що має мале мінімальне і високе максимальне значення. Для цих цілей можуть використовуватися діодні мости, біполярні і польові транзистори. Внаслідок неідеальності, вони вносять погрішності в оброблювані сигнали. Джерелами погрішностей електронних аналогових ключів є:
ненульовий прохідний опір електронного ключа у включеному стані і кінцева його величина у вимкненому;
залишкове падіння напруги на замкненому ключі, тобто наявність напруги на ключі за відсутності через нього струму;
нелінійна залежність опору ключа від напруги (струму) на інформаційних управляючих входах;
взаємодія управляючого і комутованого сигналів;
обмежений динамічний діапазон (по амплітуді і по знаку) комутованих струмів і напруг.
Ключі на біполярних транзисторах і, особливо, на діодних мостах споживають значну потужність по ланцюгах управління і мають порівняно велику залишкову напругу, яка становить одиниці мілівольт, що вносить помітну погрішність при комутації слабких сигналів (менше 100 мВ). Такі ключі мають високу швидкодію (час перемикання діодних ключів, виконаних на діодах Шоттки, досягає 1 нс) і застосовуються для побудови надшвидкісних ключів. Ширше застосування знайшли ключі на польових транзисторах.
2.2. Устрій і принцип роботи ключа на польових транзисторах
Як відомо, польовий транзистор у області малих напруг стік-витік поводиться як резистор, опір якого може змінюватися у багато разів при зміні управляючої напруги затвор-витік UЗИ. На рис. 2.2а зображена спрощена схема послідовного ключа на польовому транзисторі з управляючим p-n-переходом.
Рис. 2.. Послідовний ключ на польовому транзисторі з управляючим
p-n-переходом
Якщо в цій схемі управляючу напругу Uупр встановити меншою, ніж мінімально можлива вхідна напруга, принаймні на величину порогової напруги транзистора, транзистор закриється і вихідна напруга стане рівною нулю. Для того, щоб транзистор був відкритий, напруга затвор-витік UЗИ слід підтримувати рівною нулю, що забезпечує мінімальний опір каналу. Якщо ж ця напруга стане більше нуля, управляючий p-n-перехід відкриється, і вихід ключа виявиться з'єднаним з ланцюгом управління. Рівність нулю UЗИ непросто реалізувати, оскільки потенціал витоку змінюється згідно зміні вхідного потенціалу. Найбільш простий шлях подолання цієї трудності показаний на рис. 2.2б.
Якщо напругу Uупр встановити більшою, ніж максимально можлива вхідна напруга ключа, діод VD закриється і напруга UЗИ буде, як це і потрібно, рівна нулю. При достатньо великій негативній управляючій напрузі діод буде відкритий, а польовий транзистор закритий. У такому режимі роботи через резистор R1 тече струм від джерела вхідного сигналу в ланцюг управляючого сигналу. Це не заважає нормальній роботі схеми, оскільки вихідна напруга ключа в цьому режимі рівна нулю. Порушення нормального режиму роботи такої схеми може відбутися лише у випадку, якщо ланцюг вхідного сигналу містить розділовий конденсатор, який при закритому транзисторі ключа заряджатиме до негативного рівня управляючої напруги.
Проблеми подібного роду не виникають, якщо в якості ключа використовувати польовий транзистор з ізольованим затвором
(МОП-транзистор). Його можна переводити у відкритий стан, подаючи управляючу напругу більшу, ніж максимальна вхідна позитивна напруга, причому і в такому режимі роботи струм затвора буде рівний нулю. Таким чином, в цій схемі ключа відпадає необхідність у діоді і резисторі R1. Схема ключа на МОП-транзисторі наведена на рис. 2.3а. Тут ключем є n-канальний МОП-транзистор збагаченого типу, що не проводить струм при UЗИ ? 0.
Рис. 2.. Послідовні ключі на МОП-транзисторах
У цьому стані опір каналу, як правило, досягає одиниць або навіть десятків ГОм, і сигнал не проходить через ключ. Подача на затвор відносно витоку значної позитивної напруги приводить канал у провідний стан з типовим опором від 20 до 200 Ом для транзисторів, використовуваних як аналогові ключі.
Наведена на рис. 2.3а схема працюватиме при позитивних вхідних сигналах, які принаймні на 5 В менші, ніж Uупр; при вищому рівні сигналу напруга затвор-витік буде недостатньою, щоб утримати транзистор у відкритому стані (опір каналу у відкритому стані R0 почне зростати); негативні вхідні сигнали викличуть включення транзистора при заземленому затворі. Тому, якщо треба перемикати сигнали обох полярностей (наприклад, у діапазоні від –10 до +10 В), то можна використовувати таку ж схему, з'єднавши підкладку з джерелом –15 В і подаючи на затвор напруги +15 В (включено) і
–15 В (виключено).
Кращими характеристиками володіють ключі на комплементарних МОП-транзисторах (КМОП-ключі), рис. 2.3б. Тут на підкладку транзистора VT1 подається позитивна живляча напруга +Uпит, а на підкладку транзистора VT2 –негативна живляча напруга –Uпит. При високому рівні сигналу управляюча напруга на затворі n-канального транзистора VT2 практично рівна +Uпит. У такому разі транзистор VT2 проводить сигнали з рівнями від -Uпит до +Uпит без декількох вольт (при вищих рівнях сигналу R0 починає катастрофічно зростати). В цей час напруга на затворі VT1 практично рівна –Uпит. Транзистор VT1 пропускає сигнали з рівнями від +Uпит до значення на декілька вольт вище за –Uпит. Таким чином, всі сигнали в діапазоні від +Uпит до –Uпит проходять через двополюсник з малим опором (рис. 2.4). При перемиканні сигналу на низький рівень, управляюча напруга на затворі n-канального транзистора VТ2 встановлюється близькою до –Uпит, а напруга на затворі p-канального транзистора VТ1